CN106388845A - 一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种正电子发射切伦科夫‑伽玛双辐射的成像方法，其包括步骤：安置可见光光子探测器与伽玛光子探测器，获得脉冲数据集；计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数；判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；将所有正电子发射事件进行累计；建立系统对于每一个体素的传递函数；反演传递函数的输入。一种正电子发射切伦科夫‑伽玛双辐射的成像装置，其中包括富质子同位素注入模块、多辐射探测器模块、多事例时间符合模块、系统传递函数获取模块和核素分布图像重建模块。通过采用本发明的方法与装置，能有效提高正电子成像装置的空间分辨率、装置灵敏度和成像信噪比，特别适合于正电子在无损检测和生物医学成像上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理、光电信号处理和核探测领域，尤其涉及一种单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置。
背景技术
正电子发射断层成像（Positron Emission Tomography，以下简称PET）是一种非侵入性的造影方法，能无创、定量、动态地评估人体各器官的代谢水平、生化反应、功能活动和灌注。作为一种高敏感性的功能影像设备，PET 在肿瘤、心血管系统疾病和神经系统疾病的早期诊断、治疗规划、疗效监测与评估等方面具有独特的价值。
随着PET 仪器在临床诊疗中应用的不断深入，医学界对PET仪器的性能和功能提出了新的需求，促使PET 仪器的研究人员发展新的方法和技术，从系统设计、硬件装置到图像重建各个环节推动仪器的更新换代。传统的PET由于只探测由正电子湮灭的伽玛光子，丢失了部分可供获取的数据。实际上发射的正电子速度满足一定的条件时，将发射出可见光光子。
因此，针对上述技术问题，有必要针对能够获取的单光子时间信息，提供一种新的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置，以克服上述缺陷。全面捕获单个正电子事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置，该方法与装置能有效地读出一个正电子事件的多个光子的电信号样本，通过多光子时间符合，剔除自发光事件，增大重构图像信噪比，避免基线漂移对读出信号的影响。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其包括步骤：
S1：安置可见光光子探测器与伽玛光子探测器，获得正电子发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）与正电子衰变发出的伽玛光子对以及其他伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；
S2：计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数；
S3：通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；
S4：将所有正电子发射事件按照属性的不同进行累计；
S5：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值；
S6：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，即求解一个大规模的方程组，方程组的解即为每个体素的活度大小。
优选地，在上述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。
优选地，在上述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者正电子事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。
优选地，在上述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，所述伽玛光子对是指由正电子衰变而来的一对能量值约为511keV的动量相反的伽玛光子。
优选地，在上述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，所述大规模的方程组的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。
优选地，在上述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，所述正电子事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。
一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置，其中包括富质子同位素注入模块、多辐射探测器模块、多事例时间符合模块、系统传递函数获取模块和核素分布图像重建模块，其中，
富质子同位素注入模块，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物；
多辐射探测器模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子和伽玛光子对的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取正电子事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；
多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如50 ns）内有多个单光子事件（不少于5个）；
系统传递函数获取模块，用于获取系统的传递函数，一般可以采用实验和仿真的获得方式，而仿真的获得方式又包括数学仿真和蒙特卡洛仿真；
核素分布图像重建模块，用于将带有属性的正电子事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。
从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于正电子同位素标记的临床或者小动物等活体成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）超高灵敏度，由于该方法和装置能够发掘更多的粒子信息，具备更高的系统精确度和成像定量准确度；
（2）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；
（3）抵御背景光和生物体自发光的事件时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声，拒绝无关事件的干扰；
（4）全事件读出设计可以全面的读出正电子事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法的流程图。
图2为本发明正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置的装置结构图。
图3为本发明的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的数据涨落示意图。
图4为本发明切伦科夫-伽玛双辐射的光子路径示意图。
图5为本发明典型的3重单光子事件符合示意图。
图6为本发明典型的系统工作原理示意图。
图7为本发明典型的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置的探测器单元。
图8为本发明图像质量测试假体的剖面图。
图9为本发明图像质量测试假体用伽玛对事件作出的重建结果剖面图。
图10为本发明图像质量测试假体用切伦科夫光子束作出的重建结果剖面图。
图11为本发明图像质量测试假体用两种光子信息作出的重建结果剖面图。
具体实施方式
本发明公开了一种单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置，该方法与装置能有效地实现事件到达时间的标记，提升模块及装置的时间分辨率。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开的单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置通过以事件的数据形式采集单光子信号，再利用时间符合和估计理论甄别出正电子事件的位置，具体的方法步骤为：
S1：安置可见光光子探测器与伽玛光子探测器，获得正电子发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）与正电子衰变发出的伽玛光子对以及其他伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；
S2：计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数；
S3：通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；
S4：将所有正电子发射事件按照属性的不同进行累计；
S5：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值；
S6：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，即求解一个大规模的方程组，方程组的解即为每个体素的活度大小。
以上单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置中，所述切伦科夫单事件是指单个放射性同位素原子核发射带电粒子在介质中发生切伦科夫效应。
以上单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置中，所述的单光子事件是指生物体通过自发光或者正电子事件发出的单个可见光或软紫外光光子击中光电器件被吸收的事件。
以上单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置中，所述伽玛光子对是指由正电子衰变而来的一对能量值约为511keV的动量相反的伽玛光子。
以上单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置中，所述大规模的方程组的反演可以采用直接的方法，也可以采用迭代的方法。
以上单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置中，所述正电子事件发生的位置是指核素发射带电粒子时核素在生物体中的位置，不同位置射入探测器的感光孔的相对位置不同。
如图2所示，本发明公开的一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置，其中包括富质子同位素注入模块100、多辐射探测器模块200、多事例时间符合模块300、系统传递函数获取模块400和核素分布图像重建模块500，其中，
富质子同位素注入模块100，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物；
多辐射探测器模块200，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子和伽玛光子对的探测。探测器模块的设计采用孔状的探测几何和单光子响应时间较快的光电器件，用以获取正电子事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息；
多事例时间符合模块300，用于判断多光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如50 ns）内有多个单光子事件（不少于5个）；
系统传递函数获取模块400，用于获取系统的传递函数，一般可以采用实验和仿真的获得方式，而仿真的获得方式又包括数学仿真和蒙特卡洛仿真；
核素分布图像重建模块500，用于将带有属性的正电子事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。
图3为本发明的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的数据涨落示意图；图4为本发明切伦科夫-伽玛双辐射的光子路径示意图；图5为本发明典型的3重单光子事件符合示意图；图6为本发明典型的系统工作原理示意图；图7为本发明典型的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置的探测器单元；图8为本发明图像质量测试假体的剖面图；图9为本发明图像质量测试假体用伽玛对事件作出的重建结果剖面图；图10为本发明图像质量测试假体用切伦科夫光子束作出的重建结果剖面图；图11为本发明图像质量测试假体用两种光子信息作出的重建结果剖面图。结合图4、图5、图6及图7，通过几个具体的实施例，对本发明单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置做进一步描述。本发明提出的单光子时间分辨的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法与装置，其涉及到的参数、滤波器设计、时间符合处理需要根据与获取数据的特点进行调节以达到良好的切伦科夫辐射分辨性能和较短的脉冲持续时间。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。
实例1：
此处列出本实施例处理数据的参数：
步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为1.5m×1.5m×1.5m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18F-FDG。采用红光增强的硅光电倍增管作为切伦科夫光子探测的光敏元件.采用硅酸钇镥/光电倍增管/蓝紫光硅光电倍增管的闪烁探测器作为伽玛光子探测元件，具体构成如图7所示，探测器单元的组合采用环状结构；
步骤（2）采用正电子事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息作为属性值建立双粒子似然函数；
步骤（3）符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间符合处理，选通粒子计数；
步骤（4）采用直方图复原的方式，将计数值重排为正弦图的投影值；
步骤（5）采用数学仿真的方式，获取系统传递函数；
步骤（6）采用解析的核素分布重建方法，直接绘出正电子的活度分布。
实例2：
此处列出本应用实例2处理数据的参数：
步骤（1）所用的实际装置为使用暗箱尺寸为0.15m×0.15m×0.15m。射源为511kev的正电子湮灭伽马光子18F-FDG。采用红光增强的硅光电倍增管作为切伦科夫光子探测的光敏元件.采用溴化镧/蓝紫光硅光电倍增管的闪烁探测器作为伽玛光子探测元件，探测器单元的组合采用12平板结构；
步骤（2）采用正电子事件的角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)共7维信息作为属性值建立双粒子似然函数；
步骤（3）符合时间约为2ns，符合判断采用离线式的时间符合处理，选通粒子计数；
步骤（4）采用列表数据的方式，无需对投影数据进行重排；
步骤（5）采用实验测量的方式，获取系统传递函数；
步骤（6）采用迭代的核素分布重建方法，直接绘出正电子的活度分布，满足最大后验准则。
本发明的方法和装置可以用于辐射带电微粒的核技术，包括核探测、核分析、核医学仪器。
本发明提供的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中。通过时间符合，剔除生物体的自发光和背景光。通过单光子事件在孔内的相对位置判断正电子事件的时间和位置，比背景技术中的单视角或者电流电荷读出的切伦科夫成像方法的成像质量好，捕获的切伦科夫光子多。
本发明公开的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法中，注入可发射带电粒子的同位素可用于标记生物体中的生化和生理过程；读出带电粒子发出切伦科夫光子射向探测器模组的光子计数和每个计数的时间；对读到的时间进行时间符合；通过光子在孔内的相对位置来估计正电子事件发生的位置；对估计的切伦科夫的位置和时间进行重建，获得核素的分布。
通过采用本发明的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置，能有效提高装置的成像信噪比，抵御生物组织自发光影响，特别适合于小动物等成像深度要求不高的活体成像。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）超高灵敏度，由于该方法和装置能够发掘更多的粒子信息，具备更高的系统精确度和成像定量准确度；
（2）多视角全3D的探测器设计，一次扫描即可同时获取无数视角的切伦科夫光子信息；
（3）抵御背景光和生物体自发光的事件时间符合设计，有利于降低成像的背景噪声，拒绝无关事件的干扰；
（4）全事件读出设计可以全面的读出正电子事件丰富的多维信息：角度（2-D）、时间(1-D)、位置(3-D)、能量(1-D)。具体为以事件的形式记录光电器件的电信号。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：包括步骤：
S1：安置可见光光子探测器与伽玛光子探测器，获得正电子发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）与正电子衰变发出的伽玛光子对以及其他伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）；
S2：计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数；
S3：通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件；
S4：将所有正电子发射事件按照属性的不同进行累计；
S5：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值；
S6：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，即求解一个大规模的方程组，方程组的解即为每个体素的活度大小。
2.根据权利要求1所述的一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：安置可见光光子探测器与伽玛光子探测器，获得正电子发射切伦科夫效应光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状中的一种或者几种）与正电子衰变发出的伽玛光子对以及其他伽玛光子的脉冲数据集（时间、位置、波长、脉冲形状的一种或者几种）。
3.根据权利要求1所述的一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：计算每个时间段多维数据样本的联合似然概率函数。
4.根据权利要求1所述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：所述方法包括通过计算该时间段的多维数据集的联合多属性似然函数判断当前接收到的数据片段否是来自于一个正电子发射事件。
5.根据权利要求1所述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：将所有正电子发射事件按照属性的不同进行累计。
6.根据权利要求1所述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：通过实验和仿真，建立系统对于每一个体素的传递函数，这个传递函数的输入为体素的活度大小，而输出为每种属性标记的计数值。
7.根据权利要求1所述的正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像方法，其特征在于：将实测的不同属性的计数值作为传递函数的输出，反演传递函数的输入，即求解一个大规模的方程组，方程组的解即为每个体素的活度大小。
8.一种正电子发射切伦科夫-伽玛双辐射的成像装置，其特征在于：富质子同位素注入模块、多辐射探测器模块、多事例时间符合模块、系统传递函数获取模块和核素分布图像重建模块，其中，
富质子同位素注入模块，用于对生物体中参与生理与生化过程的物质进行标记，其主要内容是屏蔽生物体以外的背景光，并使生物体带有可以发光的标记物；
多辐射探测器模块，用于以多视角的方式实现对切伦科夫光子和伽玛光子对的探测；
多事例时间符合模块，用于判断多光子事件是否属于一次正电子事件，判断的标准是在较短的时间窗（例如50 ns）内有多个单光子事件（不少于5个）；
系统传递函数获取模块，用于获取系统的传递函数，一般可以采用实验和仿真的获得方式，而仿真的获得方式又包括数学仿真和蒙特卡洛仿真；
核素分布图像重建模块，用于将带有属性的正电子事件集合重建成某一时刻的放射性活度分布。
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